详解塑封工艺的流程步骤

文章来源：学习那些事

原文作者：前路漫漫

本文主要讲述塑封工艺。

概述

塑封是微电子封装中的核心环节，主要作用是保护封装内部的焊线、芯片、布线及其他组件免受外界热量、水分、湿气和机械冲击的损害，同时增强封装的机械强度，便于后续贴片操作。按封装材料划分，电子封装可分为金属封装、陶瓷封装和塑料封装三类。其中，塑料封装因工艺简便、成本低廉，占据了90%以上的市场份额，且这一占比仍在持续上升。在集成电路塑料封装中，环氧模塑料是最常用的材料，在塑封材料中的占比超95%。

塑料按特性可分为热塑性与热固性两类。热塑性塑料的树脂分子呈线性或支链状结构，受热时会软化熔融，可塑造成特定形状，冷却后保持形态，再次加热仍能软化熔融，可重复加工，成型过程通常仅涉及物理变化。

热固性塑料则是通过加热实现固化的聚合物材料，成型时同时伴随物理与化学变化。这类材料在较低温度下会熔融，具备良好流动性；注入模具后，在模具的温度和压力作用下发生化学交联反应，长链分子转化为密集的网状交联结构，最终固化成型。冷却后，即便再次加热也不会软化，温度过高时会出现碳化分解。

塑料成型技术多样，包括转移成型（又称压注成型、传递模塑）、压缩成型（又称模压成型）和注塑成型等，其中转移成型与压缩成型在微电子封装中应用最为广泛。

注塑成型是常见的塑料成型工艺，具有劳动强度小、成型周期短、产品质量佳、模具使用寿命长、操作安全等优势。但在微电子封装领域，由于引线框架在注塑模具中不易固定，且环氧模塑料采用该工艺难度较高，目前尚未投入实际应用。

转移成型技术整合了注塑成型与压缩成型的优点，设有独立的加料室。模塑料在加料室内受热熔化后，在低压作用下通过浇注系统快速注入已加热的闭合模具型腔，随后在型腔内经保温保压完成固化。其工艺流程如下：①将引线框架定位放入下模具；②合上上模具；③加入环氧模塑料（这类材料通常储存在冷库，使用前需在室温下回温）；④进行预加热；⑤通过活塞加压，将模塑料压入型腔；⑥保温保压，完成固化成型；⑦活塞撤离；⑧打开上模具；⑨取出成型样品。

转移成型具有压注时间短、成型快速、生产效率高的特点，适合加工薄壁、壁厚不均、含细薄金属嵌件、带深孔及形状复杂的塑件，尤其适用于电子元器件的塑封。经其塑封的元器件精度高、尺寸稳定，无气孔和缩孔，且电性能、耐湿性良好，是微电子封装中应用最广的成型技术。不过，该技术也存在不足：一是模塑料利用率仅约70%；二是填充料分布不够均匀；三是树脂流动可能对芯片和焊线产生应力；四是在薄包封上盖及大面积衬底封装时，可能出现封装不充分的问题。

与转移成型不同，压缩成型的加料室与型腔是一体的。模塑料直接放入已加热至成型温度的敞开型腔中，塑化与固化过程均在型腔内完成。但塑料粉末可能干扰合模定位销及用于孔成型的金属嵌件位置，导致塑件精度不足，影响产品质量，且成型效率较低，因此早期塑封多采用转移成型工艺。

随着封装厚度逐渐变薄，以及大尺寸衬底封装、大面积扇出式晶圆级封装等新工艺的发展，转移成型的缺陷愈发明显，已难以满足需求。而压缩成型能很好地解决这些问题，在薄型封装、低翘曲封装、大尺寸衬底封装及大面积扇出式晶圆级封装中得到了有效应用。关于转移成型与压缩成型在微电子封装中的差异，可参考相关对比表。

压缩成型的工艺流程如下：①打开上下模具，将基板定位在上模具，通过真空吸附将分离膜贴合到下模具表面，并在膜上放置模塑料粉末；②合上上下模具，对模塑料进行预加热；③下模具活动部分上移，模塑料在垂直压力作用下流动；④模塑料填满型腔，并在温度与压力作用下固化。

塑封后续步骤

塑封工序完成后，还需进行后续的固化处理。具体操作是将塑封后的样品放入烤箱，在170-180℃的温度下烘烤8小时，以此确保环氧模塑料充分固化，同时消除塑封过程中产生的内应力。

经过模塑处理后，封装表面会残留溢出的模塑料，且烘烤后的引线框架表面可能出现氧化层，这些都需要清除干净，以便后续的电镀工序顺利进行。传统的去溢料方法包括机械喷砂（分干法和湿法）、碱性电解法以及化学浸泡结合高压水喷射法。随着激光加工技术在微电子封装领域的应用推广，全自动激光去溢料技术逐渐发展起来，该技术具有清理彻底、效率大幅提升的优势。

为提升引线框架引脚的可焊性与导电性，同时抵御潮湿、高温等外界不利环境的影响，塑封完成后的引线框架需通过电镀或浸锡工艺，在引脚上覆盖一层薄薄的保护性金属层，目前以电镀工艺为主。电镀主要有含铅和无铅两种类型，早期多采用含铅电镀，出于环保要求，现在主流为无铅电镀，即使用高纯度锡镀层或锡银镀层。电镀过程在流水线式的电镀槽中进行：先在专门的上料台放置引线框架，随后框架被传送至装有电镀液的电镀槽，作为阴极浸入其中，金属离子在获得电子后沉积到引脚上完成电镀，最后送至下料台取出。

电镀完成后，还需进行退火处理，通常是在145-155℃的温度下保持2小时。这一步的作用是让无铅镀层在高温烘烤后，通过内部结构的调整来抑制镀层中晶须的生长。晶须是指在长期潮湿或温度变化的环境中，从材料表面生长出的须状晶体，可能导致产品引脚短路，而无铅镀层中较易出现晶须，存在短路风险。

要理解锡须，先明确晶须的定义：晶须是一种发丝状晶体，能从固体表面自然生长，又称“固有晶须”。多种金属表面会生长晶须，常见的有锡、镉、锌、锑、铟等，锡铅合金上也可能出现，但概率较低；而铅、铁、银、金、镍等金属表面则很少出现。一般来说，晶须现象更易发生在质地较软、延展性好的材料上，尤其是低熔点金属。

锡的晶须简称锡须，呈单晶体结构，具有导电性。其形状多为直状、扭曲沟状或交叉状，有时为中空结构，外表面带有沟槽。锡须直径可达10微米，长度甚至能超过9毫米，可承载10毫安的电流，电流过大时通常会被烧断。

锡须的生长速率通常在每年0.03-0.9毫米之间，在特定条件下可能加快100倍以上。其生长速率受多种复杂因素影响，包括镀层的电镀化学过程、镀层厚度、基体材料、晶粒结构以及储存环境等。锡须多从电镀层开始生长，且存在较长的潜伏期，从几天到数月甚至数年不等，因此其可能带来的危害难以准确预测。

一般而言，锡须产生的原因主要有两点：一是锡与铜之间发生相互扩散，形成金属化合物，导致锡层内压应力急剧增加，促使锡原子沿晶体边界扩散，进而形成锡须；二是电镀后镀层存在残余应力，引发锡须生长。

抑制锡须生长的方法主要有以下几种：一是采用电镀雾锡，通过改变晶体结构来减小应力；二是在150℃下烘烤2小时进行退火处理（实验表明，温度高于90℃时，锡须会停止生长）；三是在Enthone FST浸锡工艺中添加少量有机金属添加剂，以限制锡铜金属互化物的生成；四是在锡与铜之间添加一层阻挡层，如镍层；五是在锡中添加铅曾是抑制锡须的有效方法，但因铅不环保，需从其他角度寻找解决方案；六是添加1%-2%的黄金，也能有效抑制锡须生长。

切筋成型包含切筋与成型两道工序。其中，切筋是将整片引线框架分割为独立单元的过程；成型则是对已分割的单元进行引脚加工，使其形成工艺所需的形状，之后放入料管或料盘中。简单来说，切筋成型工艺就是先把原本的大块引线框架切割成若干小分块，再对这些小分块进行处理，让引脚达到规定形态。这两道工序有时会同步完成，有时也会分开进行。部分企业会先进行切筋，接着完成上锡，再开展成型工艺，通过这种方式减少引脚截面未镀上焊锡的面积。

作为电子封装产业的分支技术，IC切筋成型技术在产业近年来的快速扩张推动下实现了迅猛发展。随着封装形式从DIP、SOP、QFP逐步向CSP等演进，其与电路板的连接方式、引脚数量都发生了显著变化，这对切筋成型的工艺标准提出了越来越高的要求。

激光打码是利用激光束在封装的正面或背面标注标识，这些标识包含国家、制造商、器件代码、生产批次等信息，便于产品的使用与追溯。

完成打码后，需对成品电路的外观进行检查，合格产品将按照包装规范进行包装，包装方式包括料管、料盘、卷带盘等。